(57)【要約】【課題】回転機械、特にガスタービンエンジンの圧縮器のロータ動翼先端を保護するための方法及びシステムを提供すること。【解決手段】本方法及びシステムは、各動翼が内部ホイールディスクから半径方向外向きに延在する、複数の周方向に離隔したロータ動翼を有するロータ組立体と、ロータ動翼の隣接する列間に延在する一列以上の離隔した静翼を備えるステータ組立体と、ロータ組立体及びステータ組立体の周りを周方向に延在するケーシングと、ロータケーシングの円筒形の内面の選択された領域に塗工され、それにより始動中にケーシングとロータ動翼との間に最小のクリアランスをもたらし、その後、圧縮ガス流に対する効率的な圧縮器の封止を確実にする、アブレイダブルセラミック皮膜とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンと、
１以上の炭化水素ガス燃焼器と、
空気圧縮器と、
内部ホイールディスクから半径方向外向きに延在する複数の周方向に離隔したロータ動翼を備える、圧縮器のための圧縮器ロータ組立体と、
ロータ動翼の隣接する列間に延在する一列以上の離隔したステータ静翼を備える圧縮器ステータ組立体と、
ロータ組立体及びステータ組立体の周りを周方向に延在し、ロータ動翼及びステータ静翼によって画成される複数の内側及び外側の流路を形成する、ケーシングと、
始動中に、ロータ動翼の先端にセラミック皮膜の部分を削り取らせ、ロータ動翼とケーシングとの間に最小量のクリアランスをもたらすのに十分な量で、ケーシングの内部に塗工されるセラミック皮膜と
を備える、ガスタービンエンジン。
【請求項２】
アブレイダブルセラミック皮膜が、内部ホイールディスクのリム表面に塗工される、請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
アブレイダブルセラミック皮膜が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含有する粉末を含む、請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
アブレイダブルセラミック皮膜が、ハフニア（ＨｆＯＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３）、又はケイ酸ジルコニウム（ＺｒＯ２−ＳｉＯ２）を含む、請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
アブレイダブルセラミック皮膜が、ロータケーシングの円筒形内面に、現場で形成される、請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
アブレイダブルセラミック皮膜が、プラズマ溶射技術を使用してロータケーシングに塗工される、請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
アブレイダブルセラミック皮膜が、４ｍｉｌ〜８ｍｉｌの厚さでケーシングに塗工される、請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
アブレイダブルセラミック皮膜が、異なる耐熱性硬質セラミック材料を含む顆粒状粒子をさらに含む、請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
顆粒状粒子がコランダムを含む、請求項８記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
ロータケーシングの表面が、アブレイダブルセラミック皮膜に付着するように、粗面化円筒形内面をさらに備える、請求項１記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
ガスタービンエンジンのための圧縮器であって、
周方向に離隔した複数のロータ動翼を備えるタービンのためのロータ組立体であって、各動翼が内部ホイールディスクから半径方向外向きに延在する、ロータ組立体と、
ロータ組立体の周りを周方向に延在し、ステータ静翼と協働してロータ動翼によって画成される複数の内側の流路を形成するケーシングと、
ロータ動翼に近接するケーシングの内部に塗工されるアブレイダブルセラミック皮膜と
を備える、圧縮器。
【請求項１２】
アブレイダブルセラミック皮膜が、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含有する粉末を含む、請求項１１記載の圧縮器。
【請求項１３】
アブレイダブルセラミック皮膜が、内部ホイールディスクのリム表面にも塗工される、請求項１１記載の圧縮器。
【請求項１４】
アブレイダブルセラミック皮膜が、ハフニア（ＨｆＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３）、又はケイ酸ジルコニウム（ＺｒＯ２−ＳｉＯ２）を含む、請求項１１記載の圧縮器。
【請求項１５】
アブレイダブルセラミック皮膜が、ロータケーシングに現場で形成される、請求項１１記載の圧縮器。
【請求項１６】
アブレイダブルセラミック皮膜が、プラズマ溶射を使用してロータケーシング内面に塗工される、請求項１１記載の圧縮器。
【請求項１７】
アブレイダブルセラミック皮膜が、４ｍｉｌ〜８ｍｉｌの厚さでケーシング内面に塗工される、請求項１１記載の圧縮器。
【請求項１８】
アブレイダブルセラミック皮膜が、第２の耐熱性セラミック材料を含む顆粒状粒子をさらに含む、請求項１１記載の圧縮器。
【請求項１９】
顆粒状粒子がコランダムを含む、請求項１８記載の圧縮器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願はガスタービンエンジンに関し、具体的には、特に始動及び停止時に、動翼先端を損傷することなく、圧縮器の静止ロータケーシングとロータ動翼の間のクリアランスを最小限にするための方法及びシステムに関する。ケーシング内部をコーティングするための改良ロータケーシングの設計及び方法が、ロータの効率、長期間の性能及び信頼性、並びにガスタービンエンジンの効率を向上させる。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、一般的に、圧縮器部、複数の燃焼器部及びガスタービン部を含む。圧縮器からの圧縮された周囲空気が、燃焼器に供給される炭化水素燃料と混合する。次いで、燃料と圧縮された空気との混合物が着火され、高温の膨張した燃焼ガスが生成される。膨張したガスからエネルギーを取り出し、発電機を介して出力を発生させるために、排気ガスが、ノズルを通してガスタービン内に送り込まれる。たいていのガスタービンは、回転エネルギーを発生させるために、１以上のガス燃焼器から高温の燃焼ガスを受けて方向を変える、ロータ組立体及び協働するステータを含む。同様にして、タービンの上流にある圧縮器部は一般的に、ケーシングによって囲まれた一列以上の周方向に隔たるロータ動翼を備え、その動翼が、軸方向に隔たる列状の、対応する周方向に隔たるステータ静翼間に設置される、ロータ組立体を含む。圧縮器内のロータ動翼は回転ディスクに連結され、各動翼は、ベースプラットフォームから半径方向外向きに動翼先端まで延在する。作動時に、周囲空気が、ロータ組立体を通って流れ、ロータ動翼によって内向きに、次いで複数のシュラウドを通って半径方向外向きに誘導される。ステータ組立体は、ベースプラットフォームから外に、動翼先端に向かって半径方向に延在し、ステータ組立体をケーシング内に搭載するための外側バンド）を有する、対応する複数のステータ静翼を含む。
【０００３】
ガスタービンエンジンを始動する間、ロータ組立体及びステータ組立体の作動温度は共に、圧縮器及びガスタービンエンジンが定格運転速度及び定常状態条件に達するにつれて、最大予測レベルまで上昇する。圧縮器組立体が回転するにつれて、より高い金属温度が、ロータ動翼基部から各動翼先端に向かって移動する傾向がある。時間とともに、上昇した動翼の作動温度は、先端をその末端において弱くし、砕き、又はさらに劣化させる可能性があり、動翼先端とケーシングとの間の環状空間の増大（増大した「シールギャップ」と呼ばれる）を必然的に引き起こす。定格作動中の動翼先端とケーシングとの間の空間のそのような増大は、ロータ及びステータ両方の効率の低下となり、ひいては圧縮器及びエンジンの全体的効率を低下させる。
【０００４】
圧縮器及びガスタービンの継続的な効率を改善するため、又は少なくとも維持するために、ロータ動翼先端と圧縮器のケーシングとの間のシールギャップは、定格作動条件の間に、ガス流を不利に制限することなく、又は自由な動翼回転に影響を与えることなく、できるだけ小さいままであるべきである。
【０００５】
ケーシングの円筒形の内面の選択された標的領域上にアブレイダブル皮膜を組み入れることで、動翼先端の構造的完全性と強度とを保ちながら、プロセス中に動翼先端を損傷することなく、動翼クリアランスの最小量が確保されることが今回判明した。また、本明細書で説明されている方法を使用して内部ロータケーシングにアブレイダブル皮膜を塗工することで、長期間の作動にわたって動翼とケーシングとの間の空間（シールギャップ）を最小限にし、制御することにおいてより効果的である、より均一で構造的に安定なセラミック皮膜が得られ、それによりロータ及びエンジンの全体的効率が改善されることも判明した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７６８６５７６号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
要約として、本発明は、種々の種類の回転機械、特にガスタービンエンジン及び圧縮器において使用されるロータ動翼の先端を保護するためのシステムを含む。ロータ組立体の例示的な一実施形態は、各動翼が内部ホイールディスクから半径方向外向きに延在する、複数の周方向に離隔したロータ動翼と、ロータ動翼の隣接する列間に延在する一列以上の離隔したステータ静翼を備える、協働するステータ組立体と、ロータ組立体及びステータ組立体の周りを周方向に延在して、ロータ動翼及びステータ静翼によって画成される複数の内部流路を形成するケーシングと、ケーシング内面の特定の場所に塗工されたアブレイダブルセラミック皮膜と含む。アブレイダブルセラミックは、削り取られて、ケーシングの内周面とロータ動翼先端との間に最小の環状間隙を形成することができる量で、塗工される。ケーシングに塗工される例示的セラミック皮膜は、例えばプラズマ溶射技術を使用して現場で塗工される、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含有する粉末を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本対象発明により、すなわちアブレイダブルセラミック皮膜を使用するロータ組立体のインサイツ（その場での）クリアランス制御により、直接的に恩恵を受ける圧縮器部を含む、例示的ガスタービンエンジンの主たる作動部品を示す概略図である。
【図２】圧縮器部のためのロータ組立体及びステータ組立体を含み、圧縮器ケーシング内部の部分に塗工される、本発明によるアブレイダブルセラミック皮膜の相対的な場所を示す、ガスタービンエンジンの部品の断面図である。
【図３】例示的なロータ組立体及びステータ組立体並びに本明細書で説明する方式で塗工されるセラミック皮膜を含む、回転機械（ガスタービンエンジンの圧縮器など）の一部を示す断面図である。
【図４】セラミック皮膜が本発明に従って塗工されたケーシングに対する、隣接する動翼及び静翼の向きを示す、図３に示す選択番号のロータ動翼及びステータ静翼を示す、他の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
上記のように、本発明によるコーティング方法が、多種多様な回転組立体、特に中心の長手方向軸周りに回転するロータ及び半径方向外向きに延在するホイールディスクに搭載された複数の動翼を含む圧縮器において実施されてよい。たいていのロータ組立体がまた、概して円筒形の形状を有する外部ケーシングと、ロータ及び動翼から半径方向外向きに間隔を置かれて、ケーシングの内周面とロータ動翼の端部先端との間に狭い環状間隙を画成する内周面とを含む。
【００１０】
本発明によるアブレイダブル皮膜は、ケーシング内周及び回転動翼の先端によって画成されるような摩耗に伴って、最小の環状間隙を画成するのに十分な量で、ケーシングの内周の選択された部分に塗工される。ロータが（例えば、エンジン及び圧縮器が定格作動状態に向かうにつれて動翼及びロータ組立体を通って上方に伝達される熱によって）まちまちに伸びる期間中に、ケーシング上の皮膜が、エンジン及び圧縮器がそれらの定格作動速度に向かうにつれて、運動する動翼先端とわずかに接触することによって削り取られる。その後、運動する動翼先端はもはやケーシングと衝突することはなく、ケーシングと運動するロータ動翼との間のクリアランスは、最小の閾値で固定される。
【００１１】
関連する例示的な本発明による方法では、保護セラミック皮膜が、プラズマ溶射技術を使用してロータケーシングに塗工される。皮膜は、圧縮器がその定格作動速度に接近し、システムの温度が時間とともに上昇するにつれて、動翼を損傷することなくロータ動翼によって削り取られ得るアブレイダブルセラミックを含む。好ましくは、セラミック皮膜は、例えばガスタービンエンジンが、通常の保守のために停止しているときか又はエンジン／圧縮器が始動する前に、現場で塗工される。エンジンが始動されると、ロータ動翼の先端が、その先端においてのみコーティングされたロータケーシングと接触し、圧縮器部が定常状態条件に向かい、動翼及びケーシングの温度が上昇するにつれて、ケーシングに塗工されたアブレイダブルセラミックの規定の部分だけが削り取られる。
【００１２】
本発明を実行するのに有用な例示的アブレイダブルセラミック材料は、非限定的な例として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含有する溶射粉末の形態で塗工されるセラミックを含む「組織化」及び「非組織化」組成物が共に挙げられる。他の潜在的に有用なセラミックは、ハフニア（ＨｆＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）、マグネシア（ＭｇＯ）、イットリア（Ｙ２Ｏ３）、アルミン酸マグネシウム（ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３）及びケイ酸ジルコニウム（ＺｒＯ２−ＳｉＯ２）を含む。好ましくは、粉末は、エンジンが停止中及びアイドリング中に、プラズマ溶射、化学蒸着又は同等な溶射技術を使用して塗工される。
【００１３】
圧縮器ケーシングに塗工されるセラミック層の好ましい厚さは、ロータ動翼及びロータ組立体の空力設計、動翼の最高予測作動温度、並びにロータ組立体及びステータ組立体の中に、又はそれらを通して供給される空気の組成物及び最高温度を含む、関連する最終用途に応じて変化する。好ましくは、セラミック層は、約４〜８ｍｉｌ、最大約２０ｍｉｌの厚さに塗工される。したがって、セラミック皮膜は、動翼とケーシングとの間で所望の最小クリアランスが維持されながら、同時に摩耗に対する保護層及び遮熱コーティングとして作用することを確実にする。皮膜は、ロータケーシングをわずかに冷却し、それゆえロータ組立体内の温度勾配を間接的に減少させる傾向がある。
【００１４】
セラミック皮膜を塗工する前に、プラズマ溶射技術で塗工されるときにボンドコートの付着性を高めるために、例えばグリットブラスト法を使用して、ロータ動翼及びステータ静翼の表面をわずかに粗くすべきであることが判明した。ロータケーシングの選択された部分にセラミック皮膜を塗工することにおいて最善の結果を達成するために、表面の粗さのレベルは、約１００マイクロインチＲＭＳ（二乗平均平方根）であるべきであることが判明した。いくつかの事例では、圧縮器及びエンジンが定常状態条件に達すると、高い予測作動温度で安定なまま残る制御された構造的に安定なセラミック皮膜をもたらすため、異なる硬質セラミック材料（コランダムなど）からなる追加の顆粒状粒子を含んでいると有用であることもある。
【００１５】
上で説明したようなアブレイダブルセラミックの使用は、ガスタービンエンジンの他の部品、並びにロータ組立体又はステータ組立体内部の回転部品に依存する他の形態の回転装置に適用されてもよい。ロータ組立体以外に、本発明は、ステータ組立体内のステータ静翼のクリアランスを保護し、且つ最小限にするために使用されてもよい。
【００１６】
上記のように、本発明によるケーシングとロータ動翼先端とのクリアランス制御システムは、現場で、すなわちガスタービンエンジンの（通常の定期保守のためなどの）停止期間に実施してもよい。結果として、新しい皮膜系は、ロータ動翼のクリアランスを極めて狭くするという結果をもたらし、動翼先端付近の二次流れを減少させ、且つタービン（及び／又は圧縮器）の効率を大幅に改善する。初期の始動運転（通常、ロータ動翼に対する過渡的なクリアランス条件を規定することにおいて最悪のシナリオ）の間、エンジン始動時のケーシングに対して、動翼先端が正確に位置付けられる。この制御された「導入（ｒｕｎ−ｉｎ）」プロセスは、圧縮器及びエンジンがそれらの予測される高速作動条件に向かうにつれて、的確な度合でゆっくりとクリアランスを増加させる。
【００１７】
図面を参照すると、図１は、その場での動翼クリアランス制御によって直接的に恩恵を受ける圧縮器部１２を含む、発電機１６に連結された例示的ガスタービンエンジン１０の主たる作動部品の概略図である。ガスタービンエンジン１０、圧縮器１２、タービン１４及び発電機１６が、シャフト１８によって単一のモノリシック構成で示される。シャフト１８は、複数の区分に分割されてもよく、各区分が、隣接するシャフト区分に連結される。圧縮器１２は、空気が燃料２２と混合される燃焼器２０に圧縮空気を供給する。一実施形態では、エンジン１０は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社（米国ウスカロライナ州グリーンビル）から市販されている６Ｃタイプのガスタービンエンジンであってもよい。作動時に、空気が圧縮器１２を通って流れ、圧縮空気が、燃焼器２０に供給される。燃焼器２０からの燃焼ガス２８が、シャフト１８、圧縮器１２及び発電機１６を共通の長手方向軸周りに回転させるタービン１４を推進する。
【００１８】
図２は、圧縮器部のためのロータ組立体及びステータ組立体を含み、圧縮器のロータケーシングの選択された部分に塗工される、本発明によるアブレイダブルセラミック皮膜の相対的な場所を示す、図示のように標示された例示的ガスタービンエンジンの主要な部品の断面図である。したがって、図２は、ホイールディスクのリム表面及びケーシングに対するロータ動翼及びステータ静翼の概略位置を示し、それらのすべては、摩耗に伴ってケーシングとロータ動翼先端との間に狭いガス流経路が生成される結果として、上で説明したアブレイダブル皮膜系から直接的に恩恵を受ける。
【００１９】
図３は、例示的なロータ組立体及びステータ組立体並びに本明細書で説明する方式で塗工されるセラミック皮膜を含む、回転機械（圧縮器又はタービンなど）の一部を示す別の断面図である。図３は、隣接する動翼及びステータ静翼の、圧縮器部の中に組み立てられた、コーティングされたケーシングに対する向きを示す。圧縮器３０は、ケーシング３６内に設置されて概略的なガス流経路３８を画成する、ロータ組立体及びステータ組立体を含む。また、ロータ組立体は、流路３８の内側の流路の境界４０を画成し、一方、ステータ組立体は、流路３８の外側の流路の境界４２を画成する。圧縮器３０は、複数の段を含み、各段は、一列の周方向に隔たるロータ動翼５０と一列のステータ静翼組立体５２とを含む。この実施形態では、ロータ動翼５０は、ロータディスク５４に連結され、各ロータ動翼はロータディスク５４から半径方向外向きに延在する。各動翼は、内部の動翼プラットフォーム５８からロータ動翼先端６０まで半径方向に延在する翼形部を含む。
【００２０】
同様にして、ステータ組立体は、複数列のステータ静翼組立体５２を含み、各列の静翼組立体は、ロータ動翼の隣接する列間に設置される。圧縮器段は、周囲空気などのガス作動流体と協働するように構成され、流体は、後続の段において圧縮される。各列の静翼組立体５２は、それぞれ、ステータケーシング３６から半径方向内向きに延在し、外側の静翼プラットフォーム７０から静翼先端７２まで延在する翼形部を含む、複数の周方向に隔たるステータ静翼を含む。各翼形部は、図示のように前縁と後縁とを含む。
【００２１】
図４は、本発明によるアブレイダブルセラミック皮膜が、隣接するステータ静翼に接続されたホイールディスクのリム表面を含めて、ケーシングの内面の選択された部分に、いかにして塗工され得るかを示す。複数のロータ動翼及びステータ静翼８０が、断面で示される。２つのロータ動翼８５及び８６のそれぞれが、上で説明したようにケーシングに塗工されたセラミックの一部、すなわちセラミック皮膜８１及び８８をそれぞれ削り取る。各動翼は、対応するホイールディスク８２及び８７に、それぞれ接続される。必要な場合、同等の、アブレイダブルセラミックの均一な皮膜を、ステータ静翼８３に隣接するリム表面８９に塗工されてよい。
【００２２】
ひとたび本発明によるアブレイダブルセラミック皮膜が現場で塗工されると、上で説明した方式で、圧縮器の回転によって、動翼先端の周縁部、ケーシング及びリム表面に隣接するセラミックが、正確な量だけ削り取られる。タービン又は圧縮器が定常状態条件に到達するまで、熱が生成され、ロータ動翼及びステータ静翼のそれぞれの中に、及びそれぞれに沿って伝達されるにつれて、摩耗が継続し、わずかに増加する。摩耗は、制御される場合、種々の運動するロータ部品とステータ部品との間に狭いシールギャップが最終的に存在することを確実にし、したがって動翼、静翼及びケーシングの間に極めてわずかな空気漏れしか発生しないことを確実にする。
【００２３】
本発明を、現在のところ最も実際的で好ましい実施形態であるものとみなされるものに関して説明したが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではないと理解されるべきであり、反対に、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲に含まれる種々の改変形態及び等価な構成形態を包含することが意図されている。
【符号の説明】
【００２４】
１０  ガスタービンエンジン
１２  圧縮器部
１４  タービン
１６  発電機
１８  シャフト
２０  燃焼器
２２  燃料
２８  燃焼ガス
３０  圧縮器
３６  ステータケーシング
３８  ガス流経路
４０  内側の流路の境界
４２  外側の流路の境界
５０  周方向に隔たるロータ動翼
５２  ステータ静翼組立体
５４  ロータディスク
５８  内部の動翼プラットフォーム
６０  ロータ動翼先端
７０  外側の静翼プラットフォーム
７２  静翼先端
８０  ステータ静翼
８１、８８  セラミック皮膜
８２、８７  ホイールディスク
８５、８６  ロータ動翼
８９  リム表面
【図１】
2013189977.tif 000003
【図２】
2013189977.tif 000004
【図３】
2013189977.tif 000005
【図４】
2013189977.tif 000006
【外国語明細書】
2013189977000001.pdf